网络互连
网络世界发展迅猛,各种技术丰富多采。在过去的20年中最为成功的一
项技术就是网络互连(Internetworking)技术。网络互连是指将使用不同链路
或MAC层协议的单个网络连结,成一个整体,使之能够相互通信的一种技术和方
法。网络互连有别于桥接(Bridging),桥接只能互连MAC层相同的网络。网络世界发展迅猛,各种技术丰富多采。在过去的20年中最为成功的一
项技术就是网络互连(Internetworking)技术。网络互连是指将使用不同链路
或MAC层协议的单个网络连结,成一个整体,使之能够相互通信的一种技术和方
法。网络互连有别于桥接(Bridging),桥接只能互连MAC层相同的网络。
正是由于发展和设计了网络互连协议(如IP),才使网络互连成为可能。
互连网中的主机利用互连协议服务,必要时通过路由器进行通信。
网络互连的最大优点在于能集合任意多个网络而成为规模更大的网络,
并且能互通互连,资源共享。
由于网络发展的历史和人们对不同网络的需求,才使多种网络(如
Ethernet、ATM、FDDI等)并存,也正因为如此,才显示出网络互连技术的必要
性和巨大的威力。随着技术的发展,我们很有必要研究千兆位级的网络互连协
议及技术。
几年前,曾有人预言,为了达到千兆位的速率,当前所使用的TCP/IP和OSI
协议均将被彻底淘汰。事实上,将当前的互连协议进行适当的调整修改,就完全
能以千兆位的速率传输,其中的许多设计思想和工作原理仍然适用。当然,多媒
体应用也向网络互连协议提出了挑战,这些应用要求网络在性能上保障最大延
迟和最小带宽。
为了研究千兆位网络互连技术,我们从两个方面着手。首先分析提高协
议速度的技术和方法,并研究这些技术对千兆位网络协议将产生哪些影响;其
次,指出当前协议的缺陷,并进一步阐明新协议的重要特点。在当前众多的互连
协议中,我们选择应用最为广泛的TCP/IP为代表来展开研究和讨论。
对于不同的子网,IP均能进行数据报文封装,并将IP地址映射成物理层地
址。子网通过路由器连接,如果通信的两个主机位于不同的子网上,那么,路由
器的任务就是选择合适的路径在主机之间转发报文。
IP仅支持两个主机间报文传送,为了支持两个主机应用之间的数据传
输,TCP/IP协议簇定义了两个传输层协议:TCP和UDP。为了标识应用,增设了传
输层端口号,16位的传输层端口号和IP地址唯一标识一个特定应用。
UDP协议十分简单,是一种不可靠的传输协议,而TCP则复杂得多。TCP提
供一种可靠、有序的字切流传输服务,通过滑动窗口和应答机制来进行流量控
制及错误处理。窗口的大小限制了发送方一次可发送若干个没有应答报文的数
目,接收方接收报文后进行校验和检查,同时返回一应答,发送方若超时,则重
发。
网络互连设备
网络互连通常是指将不同的网络或相同的网络用互连设备连接在一起而形成一个范围更大的网络，也可以是为增加网络性能和易于管理而将一个原来很大的网络划分为几个子网或网段。
对局域网而言，所涉及的网络互连问题有网络距离延长；网段数量的增加；不同LAN之间的互连及广域互连等。网络互连中常用的设备有中继器、网桥、 路由器、网关等，下面分别进行介绍。
一、中断器
LAN环境下用来延长网络距离的互连设备中最简单最廉价的是中断器。 这种设备操作在OSI的物理层，只具有信号放在再生之类的功能， 因此只能连接使用相同媒体访问法和相同数据传输速率的LAN。 中继器在执行信号放大功能时不需要任何智能或算法，只是将来自一侧的信号转发到另一侧(当为双口中继器时)或将来自一侧的信号转发到多个口。
然而应当指出，使用中继器连接LAN的电缆段是有限制的。任何两个DTE间允许的传输通路由下述4个部分组成：
.5个段；
.4个中继器；
.2个收发器(也称为MAU);
.2个AUI电缆。
当为上述最大通路时，最多只能使用3个同轴电缆段，其余必须为链路段。 当5个段都存在时，每个FOIRL链路段不得超过500m。当通路由3个中继器、4个段组成时，FOIRL链路段最大长度为1000m。图1示出了一种最大通路长度配置。 使用中继器扩充网络距离是最简单最廉价的方法，但当负载增加时，网络性能急剧下降，所以只有当网络负载很轻和网络时延要求不高的条件下才能使用。
二、网桥
比中继器精明得多的互连设备是网桥，它能将一个较大的LAN 分割为多个网段，或将两个以上的LAN互连为一个逻辑LAN无论哪种情况，LAN 上的所有用户都可访问服务器。
网桥之比中继器精明，主要在于这种互连设备操作在物理层之上的数据链路层，即数据链路层和子层－媒体访问控制(MAC)。互连设备操作层次越高， 功能就越多，于是便呈现了"精明"的特性。
当LAN上的用户数量和工作站数增加时，LAN上的通信量也随之增加，因而引起性能下降。这是所有LAN共同存在的问题，特别是使用IEEE802.3 CSMA/CD 访问方法的LAN，这个问题表现得更为突出。有这种LAN环境下，必须将网络进行分段，以减少网络上的用户数和通信量。将网络进行分段的设备便是网桥。
使用网桥对网络分段时，必须考虑两个相互矛盾的目的：一是减少每个LAN 段上的通信量；二是确保网段间的通信量小于每个网段内部的通信量。
1.网桥的功能
网桥的功能在延长网络跨度上类似于中继器，然而它能提供智能化连接服务，即根据帧的终点地址处于哪一网段来进行转发和滤除。网桥对站点所处网段的了解是靠"自学习"实现的。
当使用网桥连接如图2所示的两段LAN时，网桥对来自网段1的MAC帧，首先要检查其终点地址。如果该帧是发往网段1上某一站的，网桥则不将帧转发到网段2，而将其滤除；如果该帧是发往网段2上某一站的，网桥则将它转发到网段2。这表明，如果LAN1和LAN2上各有一对用户在本网段上同时进行通信，显然是可以实现的。因为网桥起到了隔离作用。可以看出，网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用。
网桥的存储和转发功能与中继器相比有优点也有缺点，其优点是：
.使用网桥进行互连克服了物理限制，这意味着构成LAN的数据站总数和网段数很容易扩充。
.网桥纳入存储和转发功能可使其适应于连接使用不同MAC协议的两个LAN。 因而构成一个不同LAN混连在一起的混合网络环境。
.网桥的中继功能仅仅依赖于MAC帧的地址，因而对高层协议完全透明。
.网桥将一个较大的LAN分成段，有利于改善可靠性、可用性和安全性。
网桥的主要缺点是：
.由于网桥在执行转发前先接收帧并进行缓冲， 与中继器相比会引入理多时延。
.由于网桥不提供流控功能，因此在流量较大时有可能使其过载， 从而造成帧的丢失。
网桥的优点多于缺点正是其广泛使用的原因。
2.网桥的种类
所有网桥都是在数据链路层提供连接服务，要所其连接LAN的类型， 网桥有透
明网桥、转换网桥、封装网桥、源路由选择网桥等4种类型，下面分别简要说明：
(1)透明网桥
所谓"透明网桥"是指，它对任何数据站都完全透明，用户感觉不到它的存在
，也无法对网桥寻址。所有的路由判决全部由网桥自己确定。当网桥连入网络时，
它能自动初始化并对自身进行配置。
图3(a)是网桥的原理示意图，图3(b)是网桥连接LAN时转发数据其(FDB)的内容
。LAN网段与网桥相连的口称为网桥端口。基本网桥只有两个口， 而多口网桥可有
多个连接LAN的端口。
每个网桥端口都是由与特定LAN类型相应的MAC集成电路芯片以及相关端口管理
软件组成。端口管理软件在加电时负责对该芯片进行初始化，并对缓冲器进行管理
。一般情况下，可供使用的存储器在逻辑上分成若干固定尺寸和单位，称为缓冲器
。缓冲管理涉及将空闲缓冲器指针传递到集成电路芯片，以便准备好接收帧。同样
也将帧缓冲器批针传递给芯片，经便转发帧。
（a）
(b)
所有网桥都以不加选择的方式来操作，这意味着网桥在其每个端口都将外入的
帧接收下来，并进行缓冲。当帧由MAC 芯片在一个端口接收并置入分配的缓冲器时
，端口管理软件便使芯片准备好接收新帧，随后便将包括接收帧的缓冲器的指针传
递给网桥协议实体进行处理。如果网桥在其端口同时到达2个或多个帧， 并需要将
这些帧从同一端口转发，端口管理软件和网桥协议实体软件间的缓冲器指针的传递
则通过一组队列实现。
网桥的转发和滤除可通过图3(b)来说明。图中连接LAN1和LAN2的网桥1 具有两
个端口，连接LAN2 和 LAN3的网桥也有两个端口。 两个网桥内的转发数据基标明
了从哪个端口转发可达到的站。当网桥收到一个帧时，便可通过查找转发数据基来
确定是将帧滤除还是转发。由于网桥操作在数据链路层的MAC子层，通过对MAC帧中
站地址的检查便可建立起这种转发数据基。根据MAC 帧地址建立转发数据基的过程
称"自学习"过程。
(2)转换网换
转换网桥是透明网桥的一种特殊形式。它在物理层和数据链路层使用不同协议
的LAN提供网络连接服务。图4示出了连接令牌环网和Erhwrnet网的转换网桥。
转换网桥通过处理与每种LAN类型相关的的信封来提供连接服务。 转换网桥提
供的处理由于令牌环和Ethernet信封类似而比较简单。但是，这两种LAN 的帧长不
同，转换网桥又不能将长帧分段，所以在使用这种网桥时，所互连的LAN 所发送的
帧长要能被两种LAN接受。
以图4为例，网桥使用LAN1(令牌环网)的物理层和数据链路层协议读取LAN1工作
站发送的所有帧的终点地址。网桥对寻址到LAN1工作站的帧不予过问并进行滤除。
网桥将发往LAN2工作站的帧加以接受，并使用LAN2所用的物理层和数据链路层协议
将这些帧转发到LAN2。网桥对LAN2工作站发送的帧进行同样的处理。
(3)封装网桥
封装网桥通常用于连接FDDI骨干网。图5示出了这种连接结构， 封装网桥用来
将4个Ethernet连到FDDI骨干网上。
与转换网桥不同，封装网桥是将接收的帧置于FDDI骨干网使用的信封内，并将
封装的帧转发到FDDI骨干网，进而传递到其它封装网桥，拆除信封，送到预定的工
作站。
为解释其工作过程，假定LAN1上的工作站要将报文发往LAN3上的某一设备，其
过程如下：
封装网桥１使用LAN1所用的物理层和数据链路层协议来读取LAN1上设备发送的
所有帧的MAC终点地址；
封装网桥1接受寻址到其它LAN上的帧，并将这些帧置于FDDI的信封内，将此信
封发送到FDDI骨干网上；
封装网桥1对寻址到LAN1上设备的帧全都滤除；
封装网桥2接收所有帧，去掉信封，检查MAC帧地址，由于MAC 帧地址不在本地
LAN2上，于是将这些帧滤除；
封装网桥3接收所有帧，去掉信封，检查MAC帧地址，由于MAC 帧地址处于本地
LAN3，封装网桥3便使用LAN3的物理层和数据链路层协议将帧发给LAN3 的预定设备
；
封装网桥4的操作与封装网桥2相同;
封装网桥1将来自FDDI骨干网的帧从FDDI双环上撤离。
(4)源路由选择网桥
源路由选择网桥主要用于互连令牌环网， 但在理论上可用于连接任何类型的
LAN。图6是使用路由选择网桥互连5个令牌环网的结构。源路由选择网桥与上述3种
桥的一个基本区别是，源路由选择网桥要求信息源(不是网桥本身)提供传递帧到终
点所需的路由信息。
使用源路由选择网桥时，网桥不需要保存转发数据基，它对帧实施转发和滤除
的依据是帧信封内包括的数据。信源要想在发送数据时写入到达终点的路由，必须
先通过"路由探询过程"来获得。
路由探询可用几个方法来实现，其中一种将在下面说明。参看图6的结构，5个
令牌环网由3个源路由选择网桥连接。假定LAN1站有报文向LAn5上的站发送。 lAN1
上的站通过发送"探询"包来启动路径发现过程。探询包使用独一无二的信封，只
有源路由选择网桥才能识别。每个源路由选择网桥一旦收到探询包，便打入接收该
探询包的连接和自身的名字到路由选择信息字段。随后网桥便将包四处扩散到接收
包的连接之外的所有连接上。
因此，同一探询报文的多个拷贝可能出现在LAN上， 探询帧接收者也将收到多
个拷贝，从源点到终点每一可能的通路便有一个拷贝。每个接收到的帧都包括由连
接/ 网桥名字构成的系列表，该系列表列出了从源到终点的可能路径。
LAN5的接收者可能收到多个探询报文，于是根据最快最直接的原则选择一个路
径，并向LAN1的发信者发回一个响应。该响应列出源和终点间的由中间桥和LAN 连
接组成的特定路径。
图6
LAN1的信源发现此路径后，将其存储在存储器中，供其随后使用。这些报文包
括在由源路由选择桥可以识别的不同类型的信封中。网桥接收到这种信封，只需对
连接和网桥组成的表进行扫描才可获得转发信息。
三、路由器
1.路由器与网桥的差别
路由器在网络层提供连接服务，用路由器连接的网络可以使用在数据链路层和物理层完全不同的协议。由于路由器操作的OSI层次比网桥高，所以， 路由器提供的服务更为完善。路由器可根据传输费用、转接时延、网络拥塞或信源和终点间的距离来选择最佳 路径。路由器的服务通常要由端用户设备明确地请求， 它处理的仅仅是由其它端用户设备要求寻址的报文。
路由器与网桥的另一个重要差别是，路由器了解整个网络，维持互连网络的拓扑，了解网络的状态，因而可使用最有效的路径发送包。
2.寻址和路由选择
在互连网上交换信息的一个基本要求是每个站都具有可达的唯一地址。像邮政编址类似，互连网地址也由几部分组成。在互连网上，通常要求使用网络地址、主机地址和计算机上运行的应用。
规定了地址之后，接下来便是如何选择路径开达报文的终点。路由选择涉及规定路由选择参数以及如何获得这些参数。
在互连网中使用的地址是32位的IP地址，该地址由网络号和主机号组成。IP地址分为下述3类：
A类地址使用7位来标识网络，24位用来规定网络上的主机；
B类地址使用14位来标识网络，16位用来标识主机；
C类地址使用21位来标识网络，8位用来标识主机。
路由器在选择路径时常用的算法有两种：一是距离向量；二是链路状态。前一种由路由选择信息协议(RIP)使用，后一种由开放式最短路径优先协议(OSPF) 使用。
现以图7为例来说明。路由器如何工作。图7由一个路由器连接了三个子网，子网地址及要说明的相互通信的两个站的地址已标识在机器旁。
假定编址为1400的站向2034发送报文、信源站首先将其网络地址(1000)与终点网络地址进行比较，因为两者不同，源站认识到报文接收者不在同一LAN上， 不能直接发送到接收者。于是该源站便从其路由选择表中它所连接的路由器1 的地址及其报文置于一个信封内，并将信封发给路由器1。
路由器1收到报文，丢掉信封，观察报文的终点地址，将其与它具有的3个网络地址(1000,2000 和 3000)比较。由于与2000相同， 路由器便将报文直接发送给接收者。当然，这个例子是互连网络中最简单的一种，但基本原理是一样的。
四、网关
网关是互连网络中操作在OSI运输层之上的设施，所以称为设施， 是因为网关不一定是一台设备，有可能在一台主机中实现网关功能。当然也不排除使用一台计算机来专门实现网关具有的协议转换功能。
由于网关是实现互连、互通和应用互操作的设施。通常又多是用来连接专用系统，所以市场上从未有过出售网关的广告或公司。因此，在这种意义上，网关是一种概念，或一种功能的抽象。网关的范围很宽，在TCP/IP网络中，网关有时所指的就是路由器，而在MHS系统中，为实现CCITTX.400和SMTPL简单邮件运输协议间的互操作，也有网关的概念。SMTP是TCP/IP环境中使用的电子邮件，其标准为RFC- 822，而符合国际标准的CCITTX.400发展较晚，但受到以欧州为先锋的世界范围的支持。为将两种系统互连，TCP/IP标准制定团体专门定义了X.400和RFC－822 之间的变换标准RFC987(适用于1984年X.400)，以及RFC1148(适用于1988年X.400)。 实现上述变换标准的设施也称之为网关。
网络拓扑结构
目前大多数LAN使用的拓扑结构有3种:
① 星行拓扑结构;
② 环行拓扑结构;
③ 总线型拓扑结;
1.星型拓扑结构
星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如图3所示。其中,图3(a)为电话网的星型结构,图3(b)为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。
(a)电话网的星行结构 (b)以Hub为中心的结构
图3
这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。
这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如图4所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型,Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。
图4
还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。
2.环型网络拓扑结构
环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。
图5
环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图5中,用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。
环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。
3.总线拓扑结构
总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如图6所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所有数据站都是平等的,不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法:带有碰撞检测的载波侦听多路访问,英文缩写成CSMA/CD。
图6
这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是LAN技术中使用最普遍的一种。
网络互连的方式
